卵石作为粗骨料用于路基CFG桩的试验研究

赵永浩

摘 要：某新建高速铁路的戈壁滩路基CFG桩，粗骨料用量巨大，沿线符合设计要求的碎石料源严重匮乏，且运距甚远，符合要求的碎石料源在供货能力上远远不能达到数量和工期的要求；而沿线砂卵石富集，呈均匀分布，且数量上完全满足实际需求。通过将现场卵石作为粗骨料用于路基CFG桩的试验研究，进行了卵石和碎石的物理力学性能对比、配合比对比、施工工艺对比、桩身完整性对比、单桩承载力对比，得出将卵石作为粗骨料用于路基CFG桩，质量上完全达到设计要求，将卵石作为粗骨料用于路基CFG桩是成功的，且可就地取卵石，降低了CFG桩成本，值得推广。

关键词：卵石；碎石；粗骨料；CFG桩

中图分类号：U214.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.019

某新建铁路某标段线路总长83.4 km，路基长度为65 km；设计采用CFG桩地基处理地段长度34 km，CFG桩总延米为737万延米；CFG桩桩身混合料方量1.421×106 m3，其中，使用粗集料约1.1×106 m3，粗集料用量巨大。沿线符合设计要求的碎石料源严重匮乏，且运距较远，符合要求的碎石料源在供货能力上远远不能达到数量和工期的要求。而沿线砂卵石富集，呈均匀分布，且数量上完全满足实际需求。如果质量上能够满足设计要求，合理加以利用，可解决粗骨料的供应和工期问题。

1 地质及CFG桩

此段戈壁滩地形平坦，气候干燥，少雨缺水，地质勘察发现其表层为第四纪土层，由上而下为圆砾土（0～20 m，fk＝130～300 kPa）、砂岩（20 m以下）。其地下水位在50 m以下；设计地基处理的CFG桩混凝土为C20，桩长14～20 m，桩径Φ50，单桩承载力特征值1 160.82 kN。实地卵石富集，能否将卵石作为粗骨料用于路基CFG桩，需进行试验研究。

2 研究目的及主要內容

调整混合料中各原材料的用量和比例，配制在性能上满足设计要求和施工需求的卵石混合料，同时对比卵石与碎石各参数，以验证级配卵石能否在CFG桩身混合料中大面积使用。

对此，主要进行以下几个方面的研究：①通过卵石、碎石物理力学性能对比试验，验证卵石是否满足相关规定和使用要求；②通过卵石、碎石混合料配合比对比试验，验证卵石混合料的性能是否满足设计和施工要求；③通过现场卵石和碎石混合料CFG桩施工工艺对比试验，验证混合料配合比、坍落度、搅拌时间、拔管速度等工艺参数；④对卵石和碎石混合料CFG桩桩体进行完整性检测，验证卵石和碎石混合料CFG桩桩体的完整性；⑤对卵石和碎石混合料CFG桩进行单桩承载力试验，验证2种不同材料混合料桩体强度和承载力是否满足设计要求；⑥验证设备施工能力，并复核工程地质情况。

3 粗骨料对混凝土性能的影响

粗骨料对混凝土的影响主要表现在颗粒内部缺陷对骨料强度的影响、颗粒界面粗糙程度对界面黏结力的影响和颗粒形状对混凝土流动性的影响方面。在荷载作用下，颗粒缺陷处应力集中，易破坏，使混凝土强度降低。碎石与水泥石结合的黏结强度高，并且渗入颗粒凹面内的水泥石增加了骨料与水泥石界面的抗剪强度。卵石表面摩擦小，易流动，拌和物的流动性要好于带有棱角的碎石，由于粗骨料圆滑的表面与水泥砂浆的黏聚性不好，拌和物易出现泌水、离析现象。

用卵石配制的混凝土流动性、和易性好，相同的水泥用量配制同样流动性的混凝土时，采用碎石比采用卵石需要较多的拌和水，水灰比的增大对混凝土强度会有一定的影响。

碎石粗骨料的优点是与胶凝材料的黏结性好，卵石的特点是配制的混凝土流动性好，与胶凝材料的黏结性要弱于碎石。在使用碎石和卵石配置同样流动性和强度的混凝土时，卵石的用水量一般要小于碎石的用水量。为保证卵石混凝土强度的稳定性，一般胶凝材料的用量可稍多于碎石混凝土。这些手段都可以确保使用卵石配制出的混凝土与使用碎石配制的混凝土性能相当。

由此在配制卵石混合料时，可通过选择合适压碎指标的天然卵石，调整其颗粒级配和混凝土的水胶比，从而配制出满足CFG桩强度和施工性能要求的卵石混合集料。

4 试验用原材料

混合料各项原材料的技术性能指标直接影响混合料拌和物的性能和混凝土的质量。

4.1 水泥

取P.O42.5级普通硅酸盐水泥，28 d抗折强度为8.3 MPa，28 d抗压强度为47.1 MPa，其他技术性能指标符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB 175—1999）规定。

4.2 细骨料

取清泉河砂场的河砂，其主要技术指标为：细度模数2.8，含泥量2.8%，泥块含量0.6，堆积密度1 622 kg/m3，其技术指标符合《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准》（TB 10424—2010）中混凝土强度等级小于C30的规定。

4.3 粗骨料

本试验所选用卵石和碎石对比见图1.

碎石和卵石各项物理力学性能指标对比见表1，其性能指标均符合《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准》（TB 10424—2010）规定。

由表1可见，级配卵石在压碎指标和坚固性上都优于级配碎石。这对于卵石混凝土强度和抗侵蚀能力的提高都起到积极的作用。影响混凝土抗压强度的主要因素颗粒级配、针片状颗粒含量等均满足规范要求。妨碍水泥浆与骨料表面形成黏结作用、降低界面黏结强度、在骨料的黏结界面形成大面积的软弱区域的含泥量和泥块含量方面，碎石、卵石基本相当，满足规范要求。

4.4 混凝土外加剂

采用某公司聚羧酸减水剂，其性能指标分别为：减水率28.8%，含气量2.8%，压力泌水率比77.2%.其技术指标符合（TB 10424—2010）标准的规定。

4.5 掺和料

采用某电厂的Ⅱ级粉煤灰，其性能指标分别为：含水率0.16%，烧失量0.39%，细度18.7%，需水比95%.其技术指标符合（TB 10424—2010）标准规定。

4.6 混凝土拌和用水

采用某饮用水，其技术指标均符合（TB 10104—2010）标准规定。

5 卵石、碎石混凝土配合比试验及性能

CFG桩混合料配合比从设计和施工角度主要考虑混合料的强度和CFG桩施工时混合料的可泵性。强度主要考虑早期强度和标准养护强度，可泵性可通过压力泌水率、坍落度、扩展度等指标来反映，通过现场工艺试验来检验。

卵石配合比，设计强度C20，试配强度26.6 MPa。初始坍落度200 mm，停放30 min坍落度185 mm。7 d强度26.9 MPa，14 d强度30.0 MPa。

碎石配合比，设计强度C20，试配强度26.6 MPa。初始坍落度205 mm，停放30 min坍落度190 mm。7 d强度25.3 MPa，14 d强度29.8 MPa。

经试配调整后，卵石、碎石2种配比材料用量分别见表2、表3.

从配合比来看，卵石、碎石混合料强度均满足设计要求；从初始坍落度、30 min后坍落度、压力泌水率等指标来看，卵石混合料与碎石混合料的拌和物性能良好，无大的差别，满足使用要求。

6 卵石、碎石CFG桩施工工艺性能试验

确定施工配合比之后，分别在DK814+705里程和DK864+765里程进行了卵石、碎石CFG桩分别各3根，共12根桩工艺性试验，CFG桩施工设备采用长螺旋钻机。

质量控制要点为：①在配合比选定时，要求混合料强度符合设计要求，施工中严格按照设计配合比进行；②混合料搅拌时，每盘料搅拌时间不少于60 s，其入泵坍落度要控制在160～180 mm；③每台班测混合料坍落度3次，每台班制作混凝土检查试件3组（检测7 d、14 d、28 d抗压强度）。

CFG桩成孔灌入混合料的过程中，在泵送处未发现碎石和卵石混合料出现泌水、离析现象，无堵管现象发生。卵石混合料坍落度、碎石混合料坍落度均满足要求。因此卵石和碎石混合料的配合比满足施工要求。

7 CFG桩的检验

7.1 桩体混合料强度

根据现场桩身混合料抗压强度检测，碎石混合料14 d抗压强度为26.3 MPa，达到设计强度的131.5%；卵石混合料14 d抗压强度为25.5 MPa，达到设计强度的127%.2种碎石都满足CFG桩桩身混凝土强度要求。

7.2 桩身完整性检测

12根CFG试验桩达龄期后，采用美国PDI公司生产的桩身完整性检测仪检测，根据低应变检测结果实测波形分析计算，12根均为Ⅰ类合格桩。

7.3 单桩静载荷试验

CFG桩龄期达28 d后，分别选取卵石、碎石CFG桩各3根进行单桩承载力静载试验，试验结果：各单桩最大承载力为2 400 kN，各最大沉降为12.58～15.97 mm，满足设计单桩极限承载力为1 160.82 kN的要求。由此可见，采用卵石CFG桩可满足设计单桩极限承载力为1 160.82 kN的要求。

8 CFG桩施工

通过卵石和碎石的物理力学性能对比、配合比对比、施工工艺对比、桩身完整性对比、单桩承载力对比可知，将卵石作为粗骨料用于路基CFG桩质量上完全达到设计要求，卵石作为粗骨料用于路基CFG桩可行。由此，该新建铁路路基的地基处理，用卵石作为粗骨料施工CFG桩进入实施阶段。

9 路基沉降观测评定

CFG桩地基处理施工结束并检测合格后，沿线路方向每隔50 m埋设沉降观测板，观测基底沉降；路基填筑完成后，沿线路方向每隔50 m在基床底层左右线外侧2.7 m位置埋设临时沉降观测板，观测路基沉降。填筑堆载预压土填筑过程中，临时沉降板与基底沉降板同步接长，并根据设计观测周期不间断观测6个月以上，其沉降波动量均在1.0～2.0 mm之间，整个路基沉降变形均趋于稳定。CFG桩基底处理及路基填筑质量均达到预期质量要求

10 效益对比

该标段CFG桩混合料共计1.42×106 m3，粗集料用量约1.1×106 m3。碎石每立方米到站价均高于卵石到站价。采用卵石可节约施工成本。

11 结论

试验得出以下几点结论：①卵石作为粗骨料施工C20的CFG桩，抗压强度满足设计要求和施工泵送要求；②卵石作为粗骨料施工C20的CFG桩，其桩身质量较好；③卵石作为粗骨料施工C20的CFG桩，其单桩承载力满足设计要求；④卵石作为粗骨料施工CFG桩可行，值得推广。

参考文献

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